比对观察:驱动核心素养生成的路径探索
——以初中物理“压强”的教学为例

2023-12-12 03:14曹建军

物理教师 2023年11期

曹建军

(南通市虹桥二中,江苏南通 226006)

比对观察是把不同的事物或不同条件的同一事物联系起来进行观察,在比对的过程中达到“求同存异”,即找寻到其共同特征的同时也能够从中捕捉住它们之间的差异所在,对事物形成全面而正确的认识.初中物理教学如何进行比对观察?就是将不同物理事实、不同知识内容等关联起来,通过求同比对观察和求异比对观察找到已经熟练掌握的旧知识、经验和方法,将其与新知识之间搭建起链接,让新知识不再孤立地游荡,形成自己的认知体系,最终生成学科核心素养.本文结合苏科版初中物理“压强”的教学进行说明.

1 比对中寻由来

初中物理概念和规律都是从众多物理事实的分析中概括总结而来的,知识内在的整体性、关联性十分密切,教学就是通过比对观察,挖掘不同物理事实或物理知识之间的共性.通过求同比对观察引导学生知道物理概念从何而来,不同知识之间是通过什么相联系的.

例如,压力概念的由来.以观察如图1所示的两幅图为基础,在此对于学生的要求是能够画出铁锤对钉子作用力的示意图和运动员对平衡木作用力的示意图.接着,根据两个力的示意图,提出“两个力在三要素方面有什么共同特点”等问题,引导学生基于力三要素的理解,寻找其共性:作用点在表面;方向垂直于表面向里.从共性出发定义压力:这种垂直作用于物体表面的力叫作压力.

图1

这样的教学,让学生意识到压力的个性体现在方向和作用点上,而容易将其纳入已有的力概念,会用力概念去认识压力,教师也就不需要在压力的施力物体、受力物体是谁等问题上耗费时间,更重要的是这样的教学将更有益于学生物理观念的生成与发展.

再如,压力等于重力的由来.无论是为了压力作用效果的探究,还是为了压强大小的计算,教师都会点明:物体对水平面压力的大小等于物体重力的大小,甚至会对重力和压力从三要素方面进行细致的比较,然而很少有教师对重力和压力关系进行深层次的思考.从学科核心素养教学的角度出发,教师可通过如图2所示的实验,引导学生发现物体对水平面的压力等于物体的重力,对斜面的压力小于物体的重力.通过求异比对观察帮助学生意识到压力和重力不是一回事,这时再结合力的三要素更为细致地说明两个力的不同.接着运用问题引导学生进行这样的思考:如图3所示,物体所受的重力G与支持力F支是一对平衡力,即F支=G;物体对平面的压力F压和平面对物体的支持力F支是相互作用力,即F压=F支;两者综合则有物体对平面的压力等于物体的重力,即F支=G.

图2

图3

这样的教学,耗时不多效益却很高:一是学生认识到压力和重力之间的区别和联系.二是学生对物体对平面的压力等于自身重力,不再是简单的知识积累和记忆,而是知其然,并且知其所以然,学生具有了综合运用物理知识、整体分析和妥善解决物理问题的行为表现.这也将更有益于学生物理观念的生成与发展.三是学生能够表现出运用物理知识进行简单的演绎推理得出结论的行为,有益于其科学推理能力的生成与发展.

2 比对中明差异

在物理教学的元素中,有些内容看似相同,但实质不同,在教学中就需要对这些内容以比对观察为基础进行求异思考,辨析出其中的差别.

例如,体验压力作用效果的教学环节.教材中以如图4所示的两种体验为基础,引导学生初步体验了解压力的作用效果与哪些因素有关.根据亲身体验学生容易发现:压力的作用效果与压力大小有关,压力越大,压力作用的效果就越强;压力的作用效果与受力面积有关,受力面积越小,压力的作用效果就越强.

图4

在以上教学实践中学生因缺乏深度的思考,而意识不到两种体验的差别:气球受手指和手掌的压力作用而平衡,引发气球形变的力是手指和手掌的压力;铅笔受两个手指的压力作用而平衡,引起手指疼痛的力来源于物体间的相互作用,而不是手指对笔尖的压力,而是笔尖对手指的压力.

从学科核心素养教学角度出发,教师在教学中可作出适当的调整:手压铅笔时,手指感到疼痛的力来源于哪些?这个力是怎样产生的?这些问题引导学生通过思考,从体验压力作用效果的角度,揭示两种体验中的共性——影响压力作用效果的可能因素包括压力大小和受力面积大小,从而具有对于压力作用效果影响因素的感性认识.在这一番问题思考中学生的猜想与假设往往是自然生成的,长此以往,这将有益于学生科学探究水平的发展.从力相互作用角度对其体验进行深层次的认识,关注那些相似现象的细微差别,在理解力相互作用知识的基础上,渐渐养成严谨认真的科学态度,挖掘物理事实的差别,有助于物理知识的真正理解,有助于知识结构的架构,从而进一步实现学科核心素养的养成和发展.

3 比对中展方法

物理课堂中充满众多科学研究的方法和技巧.建构知识和理解知识的过程中,需要将贯穿教学活动中的思想方法和技巧,通过求同比对和求异比对适时适当地进行显现.

例如,实验验证压力的作用效果.提供如图5所示的器材,要求学生提出压力作用效果影响因素的两个猜想:压力大小和受压面积大小.学生选择器材设计实验验证猜想和总结结论.在实际教学实践中,学生虽然有探究滑动摩擦力影响因素的经历,但是在探究压力作用效果的影响因素时,很多学生还不能熟练地运用控制变量的思想,设计完善验证的方案和准确表述探究的结论.对此情况教师应该将验证活动分两步实施.

图5

第一步,从活动出发.设计完善验证的方案,以学生充分活动为基础,组织全班交流引导学生对不同的实验方案进行评价.通过评价生成合理的实验方案,领悟控制变量在验证方案中的落实.然后保留如图6所示的两种验证方案,让学生进行实验活动.

图6

第二步,以问题为导向.运用问题:(1)说明实验中观察到什么现象?(2)这些实验现象分别说明了什么结论?引导学生充分发表自己的见解.实验现象和实验结论的呼应,期望学生真正从实验现象的分析中总结结论,发展学生基于证据的科学探究和科学推理的能力.接着,全班交流实验的结论.在学生充分发表的基础上,引导学生对不同结论进行评判,直到所有学生能基于控制变量的思想发表结论.

实验过程中,学生会选择细沙和海绵进行实验,如果教师不点拨,学生往往不会思考为何选择细沙或海绵而不选择木板,即教师需要运用启发性语言引导学生基于实验情境进行求异,发现细沙和海绵属于一类松且轻的材料,才能把不能直接比较的压力作用效果的问题转化为可以比较的形变,从而使探究顺利行进.

学生只有经历这样的思考,才能将实验中的体验和做法转化为自己的知识和经验,才能在新的问题情境中灵活运用,长足发展迁移创新的能力,生成未来生产、生活所必备的学科素养.

4 比对中归类别

物理观念的形成和应用过程中,往往存在众多的共性.例如,速度和压强的概念都是采用比值定义法;在运用速度和压强等公式计算时,都要渗透单位的统一.对这些共性的内容可以通过求同比对观察进行归类,引导学生用统摄的手段驾驭这些内容.

例如,压强概念的教学.对压强概念的理解和表述,可将其和速度概念相联系,学生基于先前对于速度概念的理解,对压强p=F/S就不会仅仅只是简单地套用数学知识,认为“压力越大时,压强就越大”“受力面积越小时,压强就越大”,甚至认为“压强与压力成正比,与受力面积成反比”.

通过压强和速度的关联思考,将那些具有共同特征的概念归结成类,引导学生运用统摄手段驾驭这些概念,将零散甚至毫不相关的概念,通过定义的方法联系.有了这样的关联思考,学生后续接触到比热容和电阻时,就不会在“比热容是否和热量成正比”“电阻是否和电压成正”等方面纠结.

再如,运用压强公式p=F/S计算时,教师都要提醒学生,受力面积的单位必须是m2,如果受力面积单位不是m2,必须换算成m2.以上所述情况中,学生往往是通过记忆而具有这方面的知识.为此,教学中不应该让学生通过阅读从教材中提取到压强的单位Pa,以及1 Pa=1 N/m2,而是结合压强公式推理压强单位是什么.

具体的思路:假设2 m2面积的压力为10 N,将其数值和单位一起代进压强公式进行计算,则有,根据计算结果告诉学生压强的单位是1 N/m2,国际单位制压强的单位帕(Pa),即1 Pa=1 N/m2.接着引导学生通过对计算过程和结论反思,发现面积单位不是m2时,计算出来压强单位就不是N/m2(Pa).通过公式的关联,学生不仅知道单位要统一,还明晰单位为什么要统一.单位的正确使用从机械记忆转为理解性记忆.经历了这样的思考,学生到后续运用阿基米德原理公式计算时,也就容易理解为什么密度单位必须是kg/m3,深度单位必须是m.

5 比对中纠误

概念的学习过程中,学生因思维的惯性、不当的经验和片面的认识等等,容易生成一些学习的错误认识,误点拨正就是通过相关事件的求同比对观察或求异比对观察,纠正学生的错误或不全面的认识.

例如,如图7所示,采用海绵探究压力作用效果的影响因素后,学生因看不到小桌使木板的形变,往往会认为小桌对木板没有压强或者小桌对木板的压强小于小桌对海绵的压强.对此需要把两幅图进行比对观察和思考,以分析小桌对海绵或木板的压力为起点,结合压强概念让学生发现小桌对木板有压强,而小桌对海绵的压强和对木板的压强相等.学生在比对观察的过程中脑海中的一些迷思和误念得以解除,更为全面深刻地认识到事物的本质,也进一步实现其学科核心素养的养成和发展.

图7